Лазеры сверхкоротких импульсов в сочетании с усовершенствованной технологией самофокусировки обеспечивают качество и надежность процесса, необходимые для того, чтобы сделать возможным применение лазерной сварки стекла в серийном производстве. Уникальные и превосходные свойства стекла позволяют широко использовать его в различных высокотехнологичных изделиях в различных областях, таких как биомедицина и микроэлектроника. Но это создает проблемы для производителей, особенно в области высокоточной резки стекла в больших объемах. Это также создает трудности при склеивании, включая сварку отдельных стеклянных компонентов вместе и сварку стекла с другими материалами, такими как металлы и полупроводники.
Смешение как один
Все традиционные методы, используемые для сварки стекла, не могут обеспечить точность, качество склеивания и скорость производства, необходимые для экономичного и эффективного серийного производства. Клеевое соединение, например, является экономичным методом, но оставляет клейкий материал на детали и даже требует дегазации.
Диэлектрическая сварка включает в себя размещение порошкового материала в точке контакта и расплавление его для завершения соединения. Независимо от того, осуществляется ли это плавление в печи или с помощью лазера, в деталь накачивается большое количество тепла. Это проблема для микроэлектронных устройств и многих медицинских устройств.
Ионное связывание — это оригинальный метод, обеспечивающий чрезвычайно высокую прочность соединения. Две новые и чрезвычайно плоские стеклянные поверхности прижаты друг к другу и буквально сплавлены друг с другом за счет молекулярной связи. Однако выполнять эту операцию в производственной среде нецелесообразно.
Лазерная сварка стекла
А лазерная сварка? Стекло обладает многими очень полезными свойствами, такими как очень высокая температура плавления, прозрачность, хрупкость и механическая жесткость, но в то же время оно создает много трудностей для лазерной сварки. Поэтому типичные промышленные лазеры и методы, используемые для сварки металлов и других материалов, неприменимы к стеклу.
Так же, как и в прецизионной резке стекла, секрет заключается в использовании инфракрасных лазеров с ультракороткими импульсами (USP). Стекло прозрачно в инфракрасном диапазоне, поэтому сфокусированный лазерный луч может проходить сквозь него до тех пор, пока сфокусированный луч не сузится и не станет настолько концентрированным, что вызовет «нелинейное поглощение». Это «нелинейное поглощение» может происходить только с лазерами ультракоротких импульсов с высокой пиковой мощностью, и то же самое невозможно сделать с другими типами лазеров.
Так, на очень небольшой площади (обычно менее нескольких десятков микрон в диаметре) вокруг фокуса лазерного луча стекло поглощает лазер и быстро плавится. Этот сфокусированный луч сканируется вдоль желаемого пути сварки, чтобы завершить соединение, как и при любой другой форме лазерной сварки.
Метод лазерной сварки стекла USP предлагает три основных преимущества.
Во-первых, это создает прочную связь, так как оба свариваемых материала частично расплавляются, а затем затвердевают вместе, образуя сварной шов. Кроме того, этот процесс в равной степени подходит для склеивания стекла со стеклом, стекла с металлом и стекла с полупроводником.
Во-вторых, в этом процессе к детали поступает лишь очень небольшое количество тепла, которое генерируется на участке шириной не более нескольких сотен микрон. Это позволяет размещать паяные соединения очень близко к электронным схемам или другим термочувствительным компонентам, что предоставляет больше свободы для дизайнеров и производителей и поддерживает более совершенные конструкции миниатюризации продуктов.
Наконец, если лазерная сварка стекла УСП проведена правильно, вокруг сварного шва не будет образовываться микротрещин. А микротрещины снижают механическую прочность стекла. Кроме того, после температурного циклирования (что неизбежно для всего) образуются микротрещины может стать причиной возможного отказа оборудования.
Внедрение лазерной сварки стекла USP в работу
Преимущества лазерной сварки стекла USP заключаются в том, что стекло нагревается лишь в небольшом объеме. Однако на практике это также создает проблему. Это означает, что положение фокуса лазера должно оставаться очень точным на границе раздела двух свариваемых компонентов, даже если деталь перемещается. Этого трудно достичь, потому что компоненты реального мира не являются полностью плоскими. Кроме того, положение, в котором детали размещаются в сварочной системе, может не совпадать идеально.
Одним из решений является использование вытянутой в осевом направлении фокальной точки. Это «растягивает» размер фокальной точки лазерного луча, чтобы решить проблему чувствительности к положению. Однако недостатком этого метода является то, что удлиненный фокус луча создает ванну расплава в стекле с некруглым поперечным сечением. Когда стекло затвердевает в зоне плавления, в некруглой ванне с большей вероятностью образуются микротрещины.
Другой метод был принят для получения результатов сварки без микротрещин и одновременного учета значительных изменений межфазных расстояний в процессе. Секрет заключается в сочетании высокодинамичной технологии фокусировки с использованием оптики с высокой числовой апертурой (NA) для получения маленькое фокусное пятно.
В результате лазерная система обеспечивает высокую сферичность ванны расплава и, таким образом, предотвращает образование микротрещин. Он также определяет расстояние до интерфейса и постоянно регулирует оптику, чтобы всегда поддерживать идеальную фокусировку.
В результате получается высококачественный сварной шов практически любой формы детали, причем процесс не зависит от допусков и положения детали.
